是說，類比電源做得好好的，幹嘛要換成數位的？就好比音響迷聽真空管機，聽得好好的，幹嘛要換成晶片機，這其中一定有什麼誤會。

但這裡沒有誤會，很顯然，是它沒有「做得好好的」。因為人們希望裝置可以越來越輕、越來越薄、功能越來越強大、可以控制的東西越來越多，所以我們開始需要運用數位電源的設計。

但有個觀念必須先知道，就是這世上沒有完全「純數位」的電源系統架構，在一個裝置系統內，一定都是類比與數位彼此搭配使用，取決於在電路應用上的搭配和整體系統的功能規劃。但到了目前這個時代，數位電源方案的運用比例就開始越來越高，同時運用的範圍也越來越廣，漸漸成為了主流。

另一個重點，就是數位與類比各有優勢，沒有哪一個完全壓倒哪一個，還是取決於裝置應用的需求。比方，如果不計較成本、空間和電耗（但哪種事？），那類比為重的系統在精確度與控制功能上，可能完全不落下風；反過來，數位電源縱然看來可以上山下海，但其面對非線性的真實世界（頻率取樣），依然有很多的限制在。

所以，你不能忘記你是活在類比的世界，但更不能忽略數位的技術，同時還要熱情的擁抱它。

數位電源基礎運作模式

數位的世界是以2進位方式呈現，不過也常使用與2進位相容，且人們容易了解的16進位。2進位只使用數字0、1來表示數字，有時相對於0/1，會改使用L/H來標記。

以基礎運作模式而言，類比訊號透過取樣（Sampling）→量化（Quantization）→程式化（Coding）的一連串步驟，轉換成數位訊號。其中又分為「快閃型」、「管線式」、「連續漸近式」以及「ΔΣ型」四種。

在基本運作模式中，又以快閃型轉換速度最快，其取樣頻率可達1GHz以上，並且能夠一口氣將類比訊號轉換成數位訊號，因此不需取樣保持（Sample-and-Hold；S&H）；快閃型A/D轉換器運作模式是先利用比較器（comparator），同時比較分壓成2N-1個的參考電壓和類比訊號，再經由編碼器，將比較結果轉換成數位訊號。

而ΔΣ型A/D轉換器解析度可達24位元，為四種基本運作模式之中最高；不過相對而言，在轉換速度上取樣頻率僅200kHz，且反應較慢，因此不適合用在輸入端接上多工器，需切換類比訊號的裝置上。

數位電源設計的關鍵元件

要著手數位電源設計，除了先知道基本觀念外，也要知道關鍵的元件與規範，如此才能更得心應手，以下就是幾個重要的元件和規範：

類比-數位轉換器：ADC

類比-數位轉換器，Analog-to-Digital Converter，是一個無論如何你都會用到的元件。因為電源設計本質上就是類比電路設計，因此只要是電子裝置就一定需要有可以把類比形式的連續訊號，轉換為數位形式的設備。

目前，ADC的功能有獨立提供的形式，也就是由單一顆元件來處理，但在強調多工整合的裝置上，通常都會透過整合型晶片（例如，DSP、MCU）來解決，尤其在數位當道的時代。

不過單一元件的ADC通常性能卓越，對於有需要較高解析度與精確度的應用來說，例如：自動化設備、測試設備、電池動力設備，它是非要不可的元件。圖1為ADI的AD4020，它是一款低雜訊，低功耗，高性能，具備20位元、1.8MSPS精密的SAR ADC。

至於，該如何選擇最適合的ADC，除了需要考慮到精密度及位元外，由於每種架構在各種資料擷取系統中都有其優缺點，因此還需考慮不同的ADC架構，並根據系統所需的準確度或精密度來選擇需要的位元數。

因此，在設計系統時，一定要選擇較原先需求更多的位元數，轉換器可達到的準確度一定會少於可用的總位元數，以應用需要10-bit準確度而言，就需挑選12-bit轉換器。一般來說，如果輸入訊號大小明顯低於ADC的滿刻度輸入範圍，就需要使用放大器。但是，選用較高解析度的ADC，就不需使用放大器。

圖1 : ADI的AD4020是一款低雜訊，低功耗，高性能的SAR ADC。

直流-直流升降壓轉換器：DC/DC

在實際的電路設計中，鮮少會有一個電壓用到底的情況，因此勢必需要有對直流電壓做轉換的設備，這就是直流-直流轉換器，DC-to-DC converter的功能。尤其是目前電子設備的功能複雜，裏頭搭載的元件也很多元，因此DC/DC的重要性又更顯重要。

而在實際應用上，有些元件的電壓很大，有些元件的電壓很小，因此如何在這之間進行流暢的轉換是需要一定的功力，當然，這更牽涉到DC/DC元件本身的應對範圍和性能，如何達到最大的轉換性能，一直是設計師的挑戰。

就物理基礎來看，DC/DC轉換器是屬於至少有二個半導體元件（一個二極體和一個電晶體），和至少一個儲能元件（電感器）的開關電源。而為了降低電壓漣波，經常會在輸入端和輸出端，多加一個電容器進行濾波。

圖2為羅姆半導體（ROHM）的內建MOSFET的降壓型DC/DC轉換器「BD70522GUL」。它採用了羅姆獨創的Nano Energy技術，是專門針對物聯網設備所研發的超低功耗電源IC，擁有業界最廣輸出電流範圍內（10μA～500mA），也能實現90%以上的功率轉換效率。

圖2 : 羅姆半導體內建MOSFET的降壓型DC/DC轉換器「BD70522GUL」，採用Nano Energy技術。

微控制器與數位訊號處理器：MCU、DSP

具體來說，所謂的數位電源，其實是指在類比的電源設計基礎上，利用數位訊號處理器（DSP）、微控制器（MCU），甚至可程式邏輯閘（FPGA）來進行可程式化的電源管理。

因此，單純的數位控制電源，電源本身即為一個由DSP、MCU或FPGA等做自主控制的數位系統，從ADC、DC-DC及DAC等轉換輸出後，再進行像電壓脈衝調變（Pulse Width Modulation；PWM）、功因參數修正（Power Factor Correction；PFC）或其它更複雜的電壓、電源輸出的調整方式。

而在當前IC設計與半導體製造技術的帶動下，單一個MCU已可以整合非常多的功能，同時也可提供非常優異的性能。因此，通常一個還不錯的MCU就已經具備了非常高解析的ADC和DAC，而且也支援部分DSP的指令集，讓裝置的電路設計可以緊湊簡潔。

圖3為意法半導體的32位元微控制器「STM32H750xB」，該款微控制器除了搭載Arm Cortex-M7 400MHz的處理核心外，也內建128 KB Flash和1MB RAM，而且提供三個ADC和兩個DAC，以及兩個超低功耗比較器。

圖3 : 意法半導體的32位元微控制器「STM32H750xB」，提供三個ADC和兩個DAC，以及兩個超低功耗比較器。

同樣的道理，現在的DSP元件也已整合許多的功能，來讓系統開發者可以有更靈活的設計彈性，而其中ADC幾乎已成標配。

圖4為Microchip的dsPIC33CH雙核心數位訊號控制器。這元件將兩個dsPIC DSC核心整合到單一晶片內。控制器內含包括四個12位元、3.5-Msps ADC，以及最多12個250ps解析度的高速PWM通道。此外還具有整合式電源開啟重置和降壓重置，提供三種低功耗管理模式，提高能源效率。

圖4 : Microchip的dsPIC33CH雙核心數位訊號控制器，內含包括四個12位元、3.5-Msps ADC。

電源管理匯流排：PMBus

對電子系統設計而言，通訊介面和I/O對應是非常重要的一環，電源系統設計當然也是，因此，才有了電源管理匯流排（Power Management Bus；PMBus）的問世。

由於數位電源的持續發展，產業界意識到需要一個標準的通訊語言。於是當年Artesyn Technology號招了多家電源供應器商和半導體製造商，更同制定了一套標準的電源管理通訊協定，並在2005年3月公佈了名為「PMBus」的規範。

PMBus小組採用SMBus規格做為他們的資料傳輸方法，這項共通規格使Smart Battery Systems和PMBus成為共生關係，兩個組織也決定共同組成系統管理界面論壇（System Management Interface Forum；SMIF）。PMBus則成為SMIF的一部份。

PMBus是一種開放標準的數位電源管理協定，它透過定義傳輸和物理界面，以及命令語言等，來解決與電源轉換器和其他設備的通訊問題。此協定規範了兩個部份：第一部分為一般性要求、傳輸和電氣界面；第二部份則是命令語言。目前最新的版本是PMBus 1.3。

圖5 : PMBus 1.3的Logo

精確度有多重要？

數位電源的好處多多，其中一個優勢就是能夠準確的控制訊號，而這過程涉及許多的環節，要做到非常高效率，是需要下點功夫的，而且最關鍵的，通常是最起始的類比訊號的輸入端。

首先，要將連續的類比訊號轉化為離散的數位訊號的過程，稱之為取樣，而其質量將取決於解析度、測量的敏感度、準確度、精確度（或簡稱精度），以及雜訊大小等因素。

精確度（Precision）可以定義為儀器的穩定性，以及對同樣的輸入訊號一再產生同樣測量結果的能力；而準確度（Accuracy）則是儀器正確指出受測訊號的值的能力，這個性質與解析度無關，但是它絕對無法高於儀器的解析度。

精確度和準確度都是工程量測中的重要概念，但兩者有所不同。簡言之，準確度是指測得之值與實際值的接近程度，而精確度則意指個別量測之間的相似度。

而套到電源設計上，以ADC為例，當ADC查覺到類比電壓時，其工作便是在指定時間內將類比電壓轉換成二進位碼。這表示，ADC會在一瞬間對類比電壓進行取樣，然後決定如何在ADC的輸出端以二進位值表示。此元件每秒所取樣的樣本數會記錄在文件中。

然而，當ADC的取樣率不夠高時，便會難以精確重現輸入訊號而導致混疊，在此情況下，訊號之間會開始變得無法判別，或彼此混疊。為了避免這種情況，必須確保取樣率比需要傳輸的最高頻率高出至少兩倍，這個比例稱為奈奎斯特速率。

使用較高的取樣率能讓元件更加準確，但並非控制準確度的唯一方法。由於這類元件是將類比訊號轉換成二進位碼，離散步階的數量有限，可用來表示某個時間點的電壓，可用來表示這個數字的位元數，稱之為解析度。因此，在選擇A/D轉換器產品時，可先視所應用之環境，選擇適合之解析度、取樣頻率及介面等。

在DC/DC轉換器上，則要留心「脈寬調變（Pulse-Width Modulation，PWM）」，PWM的主要目標，在於以數位方式進行類比訊號準位的編碼，只要為對應至類比訊號準位的特定工作週期建立方形波，即可為這些訊號完成數位編碼。

而要做好訊號數位編碼，就需要透過高解析度計數器來完成。若能將電壓或電流提供給上下波動的脈波波形負載，就能成功建立數位PWM訊號。建立完這些脈波後，DC電源供應器就會呈開啟或關閉狀態，並以此呈現數位訊號。

結語：視應用選出你的最佳方案

總體而言，在目前以輕薄為主流，又強調智慧多工的裝置設計帶動下，以數位電源為核心的系統與元件將會持續的發展下去，而其發展的趨勢將會朝向更高的功能整合度前進，也就是單一晶片的概念。會由一顆高性能IC，可能是MCU、DSP或FGPA就解決了多數的需要，若要更多的變化與應用，則可擴增在DC/DC元件的採用，或者再放入另一顆輔助的MCU或者其他IC。然而，最終決定整體系統架構的輕重與方向，成本應該會是重要的參考指標。

而就開發者的角度來看，當各項類比和數位電源轉換與控制元件的技術日漸成熟後，其可採用的方案就將會更加的多元與靈活，因此電源系統設計的方向除了追求「精準」和「準確」外，也可依據產品實際的應用場景的需求，來顧及使用介面、設計簡化、成本與功耗等，讓裝置有更多的可能性。